裂變產物毒性

基本介紹

• 中文名：裂變產物毒性  
• 外文名：fission product poisoning

簡介

某些裂變產物吸收中子所引起的反應性虧損。中子與裂變物質作用發生裂變反應時，裂變物質的原子核一般分裂成兩個中等質量數的核，稱為裂變碎片，並發射出中子和其他放射性射線(見裂變反應)。這些裂變碎片幾乎都有過大的中子—質子比，經過一系列β衰變後，轉變為許多種穩定核。裂變碎片及其衰變產物統稱裂變產物。裂變產物中有些元素核，如Xe，Sm，Sm，Cd，Gd和Gd等，具有相當大的熱中子吸收截面，其中Xe和Sm吸收熱中子尤為強烈。在反應堆內，它們消耗堆內中子，對反應堆有效增殖性造成不利影響，故把這些中子吸收截面大的裂變產物視作“毒素”。

在熱中子反應堆中，Xe是引起裂變產物中毒最重要的一種同位素。它通過兩種途徑生成：一是由裂變直接產生的，對於U裂變，它的產額為0.00228；二是從裂變產物I經β衰變轉化而來，對於U裂變，I的產額為0.06386，其中91%將轉化為Xe。由此可見，Xe主要來源於I的β衰變。下圖表示了碘和氙的生成過程。

碘和氙的生成

當反應堆起動後穩定功率運行時，碘和氙的濃度隨著運行時間的增長而增加，大約經過5~6個該同位素半衰期後，達到平衡濃度(或稱飽和濃度)。這相當於在穩定功率下運行2~3d，就可達到平衡濃度。這時，I和Xe的產生率正好等於其消失率，因此它們的濃度保持不變。平衡氙濃度時引起的反應性虧損稱為平衡氙毒。它的大小與反應堆功率密度和核燃料的富集度有關。

反應堆功率改變，或者堆內功率分布較大擾動，都會引起氙的不穩定中毒。停堆後出現的碘抗現象以及由於堆內局部功率擾動激勵的氙振盪現象是瞬態氙的兩個典型例子。

停堆後，碘的生成和氙因吸收中子而消失都停止了。停堆時所積累的碘和氙分別以6.7h和9.2h的半衰期繼續衰變。當碘的濃度比氙的濃度大，碘衰變成氙的速率，比氙的衰變速率快，則在停堆後的一段時間內，氙的積累暫時增加。與此同時，碘的濃度在不斷下降，碘的衰變也在減弱。於是，氙的濃度達到最大值後就會逐漸下降。

碘坑

停堆後反應堆的反應性隨時間的變化而形成一低谷的現象。碘坑的大小與反應堆的中子注量率有關。中子注量率越高，碘坑越大越深，反應堆設計時必須考慮這一因素。在碘坑期內，若剩餘反應性大於零，反應堆能重新起動；若剩餘反應性小於零，則反應堆無法重新起動，只能等待爬出碘坑後再起動，從而使反應堆再起動受到一定的限制，特別是對剩餘反應性較小的石墨堆。克服的辦法有兩種：一種是在堆內加入更多的燃料，使其有足夠剩餘反應性克服碘坑，但這種方法要有相應的安全措施。另一種是適當地控制停堆程式，使停堆後氙的積累比較少，這樣反應堆再起動將會受到很小的限制。

氙致功率振盪

反應堆內氙濃度和功率分布產生空間振盪的現象。在大型熱中子反應堆內，局部區域功率擾動會引起局部區域氙濃度和增殖係數的變化。反過來，後者又引起前者的變化。兩者相互作用有可能產生氙致功率振盪(見反應堆穩定性)。如果氙致功率振盪不加以控制和抑制，有可能危及堆芯安全。由於這種氙的瞬態過程比較緩慢，振盪周期比較長，利用控制棒移動能有效地加以控制和抑制。